(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、常に最適な濃度の燃料を用いて燃料電池を運転することができるシステムを提供することを目的とする。さらに、始動時に係る時間を短縮することを目的とする。【解決手段】  本発明は、主に発電反応を行う低濃度燃料と主に発電反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度燃料とをそれぞれ別々の貯蔵容器に貯蔵させることにより、発電セルの温度によって負極に供給する燃料を瞬時に切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また、短時間で発電セルの温度を上昇させることができるため、発電セルの温度が低いときに使用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システムを小型にすることができる。【選択図】  図１
2006004868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電セルと、
所定の濃度の低濃度燃料を貯蔵する第１の貯蔵容器と、
上記低濃度燃料よりも高い濃度の高濃度燃料を貯蔵する第２の貯蔵容器とを有し、
上記発電セルの温度に応じて第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料を切り替えて供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記低濃度燃料は、上記第１の貯蔵容器と上記発電セルとの間を循環していることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
上記高濃度燃料は、上記第２の貯蔵容器と上記発電セルとの間を循環していることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項４】
上記低濃度燃料及び上記高濃度燃料は、それぞれ被希釈燃料を発電セル内で発生した水で希釈することにより形成されることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項５】
上記被希釈燃料を第３の貯蔵容器に貯蔵し、該被希釈燃料を該第３の貯蔵容器から上記第１の貯蔵容器及び上記第２の貯蔵容器に供給することを特徴とする請求項４の燃料電池システム。
【請求項６】
上記被希釈燃料は、メタノールであることを特徴とする請求項４の燃料電池システム。
【請求項７】
上記高濃度燃料は、始動時に上記負極に供給され、通常運転時に該負極に供給される燃料を上記低濃度燃料に切り替えることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項８】
正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電セルと、
所定の濃度の低濃度燃料を貯蔵する第１の貯蔵容器と、
上記低濃度燃料よりも高い濃度の高濃度燃料を貯蔵する第２の貯蔵容器とを有し、
上記発電セルの温度に応じて第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料を切り替えて供給する燃料電池システムの始動時において、
上記高濃度燃料の上記負極への供給量を上記低濃度燃料の該負極への供給量より低減させて該負極に供給する工程と、
上記発電セルの温度が所定の温度以上である場合における酸化剤の該正極への供給量より低減させて該正極に供給する工程とを有することを特徴とする燃料電池起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関するものであり、また、その燃料電池を起動させる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料気体と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素を燃料とするが、その他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール型燃料電池も開発されている。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池は、その適当な運転温度が６０℃から８０℃であるため、燃料電池の停止状態からの始動において、燃料電池の温度を上昇させる必要があり、瞬時に起動できない問題点がある。この問題を解決するために、燃料電池の起動までの間はリチウムイオン電池などの補助バッテリーを使って駆動させる方法がある。しかしながら、起動までの時間が長い場合、それに相応しい電気容量を持つ補助バッテリーが必要となる。また、ヒーターなどにより加熱する方法もあるが、これも補助バッテリーの電力が必要となる。
【０００５】
また、始動時に燃料であるメタノール水溶液の濃度を高め、電解質膜を透過するメタノール水溶液をカソードで酸素と直接燃焼させる燃料電池システムがある。（例えば、特許文献１参照）また、カソードに直接メタノール（例えば、特許文献２参照）又はメタノール水溶液（例えば、特許文献３参照）を供給し、酸素と直接燃焼させる方法がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−５２０３９９号公報
【０００７】
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報
【０００８】
【特許文献３】特開２００２−０７５４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムは、システム内に１つ設けられたメタノールタンクから噴射ノズルを使ってメタノールをアノードに接続した循環路で噴霧し、その噴射量を発電セルの温度によって制御するものである。すなわち、アノードに供給するメタノール水溶液の濃度を、噴霧ノズルによるメタノールの噴霧量によって制御している。しかしながら、このシステムでは、アノードに供給されるメタノール水溶液の濃度は、発電セルでメタノール水溶液中のメタノールを消費しなければ濃度を下げることができない。したがって、発電セルの温度が上昇した場合、噴霧ノズルからのメタノールの噴霧を中止しても瞬時に高い濃度のメタノール水溶液から低い濃度のメタノール水溶液に切り替えることができない。さらに、このシステムでは、常に最適な濃度での運転が実現できないという問題点がある。また、特許文献２の方法は、カソードに直接投入されるメタノールと酸素との反応の多くがメタノールの導入口付近に集中し、その部分が局所的に発熱し、発電セル全体の温度が不均一となる。そのため、発電セルの温度が所定の温度を越えたとしても、発電セル全体の温度が不均一であるために効率の良い反応を行うことができない。そして、特許文献３の方法は、カソードに投入されるメタノール水溶液中の水がカソードに付着してしまう。発電反応は、電極と電解質との界面で行われるため、カソードに水が付着することにより、カソードに接触する酸素の量が減少し、発電反応の効率が低下するという問題点がある。
【００１０】
そこで、本発明は、従来の実情に鑑み、常に最適な濃度の燃料を用いて燃料電池を運転することができるシステム、及び、カソードに燃料を直接供給することのないシステムを提供することを目的とする。さらに、始動時に係る時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電セルと、所定の濃度の低濃度燃料を貯蔵する第１の貯蔵容器と、上記低濃度燃料よりも高い濃度の高濃度燃料を貯蔵する第２の貯蔵容器とを有し、上記発電セルの温度に応じて第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料を切り替えて供給することを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、主に発電反応を行う低濃度燃料と主に発電反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度燃料とをそれぞれ別々の貯蔵容器に貯蔵させることにより、発電セルの温度によって負極に供給する燃料を瞬時に切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また、高濃度燃料を負極から電解質を介して正極に供給することで、高濃度燃料を分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、正極に直接燃料を供給することにより発生する正極への水の付着を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池起動方法は、正極及び負極により挟まれる電解質を有する発電セルと、所定の濃度の低濃度燃料を貯蔵する第１の貯蔵容器と、上記低濃度燃料よりも高い濃度の高濃度燃料を貯蔵する第２の貯蔵容器とを有し、上記発電セルの温度に応じて第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とに貯蔵されている濃度の異なる燃料を切り替えて供給する燃料電池システムの始動時において、上記高濃度燃料の上記負極への供給量を上記低濃度燃料の該負極への供給量より低減させて該負極に供給する工程と、上記発電セルの温度が所定の温度以上である場合における酸化剤の該正極への供給量より低減させて該正極に供給する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池起動方法によれば、燃料電池システムは、高濃度燃料を負極側に供給することにより、正極側に供給される酸化剤と反応して発電セルの温度を上昇させることができる。このとき、高濃度燃料と酸化剤との発電セルへの供給量を低く抑えることにより、発熱を促進させることができる。これにより、燃料電池システムの始動時における発電セルの温度を上昇させる時間を短縮することができる。また、短時間で発電セルの温度を上昇させることができるため、発電セルの温度が低いときに使用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システムを小型にすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、主に発電反応を行う低濃度燃料と主に発電反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度燃料とをそれぞれ別々の貯蔵容器に貯蔵させることにより、発電セルの温度によって負極に供給する燃料を瞬時に切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また、高濃度燃料を負極から電解質を介して正極に供給することで、高濃度燃料を分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、正極に直接燃料を供給することにより発生する正極への水の付着を防ぐことができる。また、本発明の燃料電池システムは、効率的な発電反応を行える濃度に調製された低濃度燃料を第１の貯蔵容器に貯蔵していることから、通常運転時において、第１の貯蔵容器のみから燃料を発電セルに供給することにより、安定した濃度を有する低濃度燃料を供給することができ、安定した発電を行うことができる。また、流路で燃料濃度の調製を行う必要がないため、燃料を噴霧するノズルを備えなくてもよい。さらに、第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とを別々にすることにより、使用頻度にあわせて設計することができ、燃料を無駄なく使用することができる。また、貯蔵されている燃料の濃度を使用環境に合わせて調節することができる。そして、第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とはそれぞれ着脱自在であり、貯蔵容器の取替えもできる。
【００１６】
本発明の燃料電池起動方法によれば、燃料電池システムは、高濃度燃料を負極側に供給することにより、正極側に供給される酸化剤と反応して発電セルの温度を上昇させることができる。このとき、高濃度燃料と酸化剤との発電セルへの供給量を低く抑えることにより、発熱を促進させることができる。これにより、燃料電池システムの始動時における発電セルの温度を上昇させる時間を短縮することができる。また、短時間で発電セルの温度を上昇させることができるため、発電セルの温度が低いときに使用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システムを小型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料電池起動方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１８】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。本発明の燃料電池システム１は、負極であるアノード３１及び正極であるカソード３２からなる一対の電極により挟まれる電解質膜３０で形成される発電セル３と、主に発電セル３において発電反応に利用される低濃度燃料の低濃度メタノール水溶液を貯蔵する第１の貯蔵容器として第１のタンク２１０、主に発電セル３の温度上昇の反応に利用される高濃度燃料の高濃度メタノール水溶液を貯蔵する第２の貯蔵容器として第２のタンク２２０とを有している。また、発電セル３に酸化剤である空気を供給するためのエアポンプ４１０と、発電セル３で発生した水とその他の物質とに分離する気液分離機４１１と、分離した水を発電セル３の外部に排出すると共に第１のタンク２１０又は第２のタンク２２０に供給する水回収ポンプ４１４と、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液を循環させる燃料循環ポンプ４１２と、発電セル３の温度を測定する温度測定装置４００と、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の濃度を測定する濃度測定装置４０１と、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の原料となる被希釈燃料のメタノールを貯蔵する第３の貯蔵容器として被希釈燃料タンク２００と、メタノールを第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０に供給する被希釈燃料供給ポンプ４１３と、メタノール、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の流路の切替を行う切替バルブ５０１、５０２、５０３、５０４と、温度測定装置４００及び濃度測定装置４０１の測定値を読み取り、バルブ等に指示を送る制御装置４０２とを有している。この燃料電池システム１に使用されるメタノールや空気は、これに限られるものではなく、搭載する発電セル３により適宜変更することができる。また、燃料電池システム１は、発電セル３の温度の上昇を促す図示されていない補助バッテリーを有していても良い。
【００１９】
発電セル３は、図１に示されるように、この発電セル３は、メタノール水溶液を燃料とし、直接発電セル３に供給する直接メタノール型燃料電池であるが、本発明の燃料電池システムは、これに限られるものではなく、燃料電池の発電能力に応じて適宜変更することができる。
【００２０】
発電セル３は、プロトン及びメタノールを透過させる膜状の電解質膜３０、発電反応における触媒を有するアノード３１及びカソード３２からなり、電解質膜３０をアノード３１及びカソード３２により挟み、張り合わせて形成される。プロトン及びメタノールを透過させる電解質膜３０は、透過性と耐酸化性と耐熱性とを兼ね備えた材質で形成される。アノード３１、カソード３２は、金属材料や炭素材料、導電性を有する不繊布などを用いて構成され、例えば、炭素材料を用いる場合、炭素材料の多孔質表面に白金などの触媒を担持させても良い。電解質膜３０、アノード３１及びカソード３２の大きさ及び形状は、発電セル３の大きさ及び形状に合わせて適宜変更される。発電セル３は、図１に示されるように、この発電セル３は、メタノール水溶液を燃料とし、直接発電セル３に供給する直接メタノール型燃料電池であるが、本発明の燃料電池システムは、これに限られるものではなく、燃料電池の発電能力に応じて適宜変更することができる。発電セル３は、アノード３１に下記で説明するメタノール水溶液、カソード３２に空気を供給することで発電反応と発電セル３の温度上昇の反応を起こすことができる。
【００２１】
また、発電セル３は、発電セル３内の温度を測定する温度測定装置４００を有している。また、この温度測定装置４００は、発電セル３の温度を読み取ると共にバルブ等に命令を行う制御装置４０２と接続されている。使用される温度測定装置４００は、特に限定されるものではなく、搭載する発電セル３により適宜変更される。例えば、燃料電池システム１に高分子電解質膜を用いる発電セル３を搭載した場合、大凡７０℃から１００℃まで上昇するため、設置される温度測定装置４００は、この温度を超えても十分に測定することができるものであればよい。この温度測定装置４００により発電セル３の温度を測定し、その温度によって、アノード３１に供給する燃料を制御装置４０２を介して切り替えることができる。
【００２２】
被希釈燃料タンク２００は、被希釈燃料のメタノールを貯蔵する貯蔵容器であり、被希釈燃料供給ポンプ４１３を介して低濃度メタノール水溶液を貯蔵する第１のタンク２１０及び高濃度メタノール水溶液を貯蔵する第２のタンク２２０に接続されている。また、第１のタンク２１０と第２のタンク２２０との分岐点には切替バルブ５０１が設けられているため、メタノールを第１のタンク２１０と第２のタンク２２０とのうちいずれか一方に供給することができる。この切替バルブ５０１は、下記で説明する制御装置４０２と接続され、他のバルブ等と連動して作動させることができる。
【００２３】
被希釈燃料供給ポンプ４１３は、被希釈燃料タンク２００と第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０との間に設けられており、メタノールを被希釈燃料タンク２００から第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０に所定の量を送り込むことができる。被希釈燃料供給ポンプ４１３は、下記で説明する制御装置４０２の命令に従って、バルブ等と連動して作動させることができる。被希釈燃料供給ポンプ４１３は、低濃度メタノール水溶液や高濃度メタノール水溶液の濃度が所定の濃度以下である場合、被希釈燃料タンク２００に貯蔵されているメタノールを第１のタンク２１０や第２のタンク２２０に供給することができる。これにより、それぞれ別々に燃料電池システム１の外で調整された低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液を第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０に供給しなくても、メタノールを被希釈燃料タンク２００に供給することで燃料電池システム１内で自動的に濃度調整を行うことができる。
【００２４】
第１のタンク２１０は、低濃度メタノール水溶液を貯蔵する貯蔵容器である。また、第２のタンク２２０は、高濃度メタノール水溶液を貯蔵する貯蔵容器である。この第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０は、着脱可能であり、必要に応じてタンクを取り替えることができる。この第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０は、下記で説明する切替バルブ５０４、濃度測定装置４０１及び燃料循環ポンプ４１２を介して発電セル３のアノード３１と接続している。また、メタノール水溶液を循環させるために、アノード３１は、切替バルブ５０３を介して第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０と接続されている。この切替バルブ５０３、５０４は、下記で説明する制御装置４０２と接続され、その他のバルブ等と連動して作動させることができる。燃料電池システム１は、この第１のタンク２１０と第２のタンク２２０を搭載することにより、発電セル３の温度によって使用するメタノール水溶液を瞬時に切り替えることができる。この第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０の形状や大きさは、使用頻度に合わせて適宜変更することができる。
【００２５】
濃度測定装置４０１は、第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０と発電セル３との間に設けられ、第１のタンク２１０から発電セル３のアノード３１に供給される低濃度メタノール水溶液、及び、第２のタンク２２０から発電セル３のアノード３１に供給される高濃度メタノール水溶液の濃度を測定することができる。この濃度測定装置４０１は、上記の温度測定装置４００と同様に、制御装置４０２に接続され、バルブ等と連動して作動させることができる。濃度測定装置４０１は、上記のように低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の濃度を測定し、その濃度によって、制御装置４０２を介してメタノールや水を第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０に供給し、メタノール水溶液の濃度を調整することができる。
【００２６】
燃料循環ポンプ４１２は、第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０と発電セル３との間に設けられている。燃料循環ポンプ４１２は、第１のタンク２１０から低濃度メタノール水溶液を取り出し、アノード３１に供給することができる。また、アノード３１に供給された低濃度メタノール水溶液を第１のタンク２１０に戻すことができる。さらに、燃料循環ポンプ４１２は、第２のタンク２２０から高濃度メタノール水溶液を取り出し、アノード３１に供給することができる。また、アノード３１に供給された高濃度メタノール水溶液を第２のタンク２２０に戻すことができる。燃料循環ポンプ４１２は、制御装置４０２と接続され、バルブ等と連動して作動させることができる。また、メタノール水溶液の循環量を制御装置４０２を介して制御することもできる。これにより、メタノール水溶液の温度を燃料電池システム１の温度に近付けることができ、発電セル３の温度上昇の反応の加熱効率や発電反応の発電効率を高くすることができる。また、メタノールの使用効率も上昇させることができる。
【００２７】
エアポンプ４１０は、カソード３２と接続され、カソード３２に空気を供給することができる。例えば、本実施の形態においては、エアポンプ４１０を空気の供給手段として使用しているが、カソード３２に空気を供給することができればどのような手段を用いてもよい。例えば、その手段として、ファン等を用いることが挙げられる。また、エアポンプ４１０は、制御装置４０２と接続され、燃料循環ポンプ４１２等と連動して作動させることができる。また、カソード３２への空気の供給量を、制御装置４０２を介して制御することができる。これにより、放熱量を低減させることができ、発電セル３の温度上昇の反応の加熱効率や発電反応の発電効率を高くすることができる。また、消費電力を低下させることができる。
【００２８】
気液分離機４１１は、水回収ポンプ４１４と協調して作動し、発電セル３と水回収ポンプ４１４との間に設けられている。エアポンプ４１０による排気と共に発電セル３内で発生した水を気液分離機４１１に供給することができる。供給された水は、気液分離機４１１により水とその他の物質とを分離させることができる。例えば、気液分離機４１１は、発電セル３に存在する水、空気（酸素や窒素）、二酸化炭素等のうち水とその他の物質とを分離させることができる。
【００２９】
水回収ポンプ４１４は、気液分離機４１１と第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０との間に設けられ、気液分離機４１１で分離した水を第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０に供給することができる。水回収ポンプ４１４は、制御装置４０２の指示に従って切替バルブ５０２を介して水を第１のタンク２１０又は第２のタンク２２０に供給することができる。
【００３０】
被希釈燃料であるメタノールは、被希釈燃料タンク２００に貯蔵されている。そして、被希釈燃料供給ポンプ４１３により第１のタンク２１０又は第２のタンク２２０に供給される。このときの濃度は、低濃度メタノール水溶液及び高濃度メタノール水溶液の濃度よりも高い濃度であれば特に限定されるものではない。
【００３１】
低濃度燃料である低濃度メタノール水溶液は、第１のタンク２１０に貯蔵されている。低濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク２００から供給されるメタノールと水回収ポンプ４１４から供給される水とを第１のタンク２１０内で混合することにより形成される。低濃度メタノール水溶液は、燃料循環ポンプ４１２を介して発電セル３に供給され、主に、発電反応を起こすことができる。低濃度メタノール水溶液の濃度は、大凡１．５ｗｔ％から６．５ｗｔ％の濃度であるが、これは特に限定するものではなく、発電セル３の効率的な発電反応を行うことができる濃度に適宜変更することができる。
【００３２】
高濃度燃料である高濃度メタノール水溶液は、第２のタンク２２０に貯蔵されている。高濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク２００から供給されるメタノールと水回収ポンプ４１４から供給される水とを第２のタンク２２０内で混合することにより形成される。高濃度メタノール水溶液は、燃料循環ポンプ４１２を介して発電セル３に供給され、主に、発電セル３の温度を上昇させることができる。高濃度メタノール水溶液の濃度は、大凡２０ｗｔ％から３０ｗｔ％であるが、これは特に限定するものではなく、低濃度メタノール水溶液より高濃度で、使用環境に合わせて発電セル３の温度上昇の反応を効率的に行うことができる濃度に適宜変更することができる。上記低濃度メタノール水溶液及び上記高濃度メタノール水溶液を発電セル３で発生した水を使ってメタノールを希釈することにより、希釈用の水を貯蔵する容器を用意する必要が無くなり、燃料電池システム１の小型化を行うことができる。また、高濃度メタノール水溶液をアノード３１から電解質膜３０を介して供給することにより、発電セル３の温度上昇の反応を起こすカソード３２に分散させて高濃度メタノール水溶液を供給することができる。
【００３３】
切替バルブ５０１は、被希釈燃料タンク２００と第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０との間に設置され、被希釈燃料タンク２００のメタノールを第１のタンク２１０又は第２のタンク２２０に供給させることができる。切替バルブ５０２は、水回収ポンプ４１４と第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０との間に設置され、水回収ポンプ４１４で水を第１のタンク２１０又は第２のタンク２２０に供給させることができる。切替バルブ５０３は、発電セル３と第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０との間に設置されている。切替バルブ５０３は、低濃度メタノール水溶液を第１のタンク２１０に、高濃度メタノール水溶液を第２のタンク２２０に供給させることができる。切替バルブ５０４は、第１のタンク２１０及び第２のタンク２２０と発電セル３との間に設置され、低濃度メタノール水溶液又は高濃度メタノール水溶液を発電セル３に供給させることができる。切替バルブ５０１、５０２、５０３、５０４は、特に限定されるものではなく、燃料電池システム１に設置する装置等により、数、形状、大きさ等を適宜変更することができる。
【００３４】
制御装置４０２は、温度測定装置４００及び濃度測定装置４０１の数値を読み取り、エアポンプ４１０、水回収ポンプ４１４、燃料循環ポンプ４１２、被希釈燃料供給ポンプ４１３、切替バルブ５０１、５０２、５０３、５０４を制御することができる。例えば、燃料循環ポンプ４１２、切替バルブ５０２、５０３、５０４を制御し、高濃度メタノール水溶液を第２のタンク２２０からアノード３１に供給するように動かすことができる。また、被希釈燃料供給ポンプ４１３、水回収ポンプ４１４、切替バルブ５０１を制御し、メタノールと水とを第２のタンク２２０に供給させることもできる。
【００３５】
本発明の燃料電池システム１は、主に発電反応を行う低濃度メタノール水溶液と主に発電反応と発電セル３の温度上昇を行う反応とを行う高濃度メタノール水溶液とをそれぞれ別々のタンクに貯蔵させることにより、発電セル３の温度が所定の温度以下である場合、高濃度メタノール水溶液をアノード３１に供給し、発電部３の温度が所定の温度を超えた場合、アノード３１に供給するメタノール水溶液を瞬時に切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことができる。また、高濃度メタノール水溶液をアノード３１から供給することで、電解質膜３０を介してカソード３２に分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、カソード３１に直接メタノール水溶液を供給することにより発生するカソード３２への水の付着を防ぐことができる。また、本発明の燃料電池システム１は、効率的な発電反応を行える濃度に調製された低濃度メタノール水溶液を第１のタンク２１０に貯蔵していることから、通常運転時において、第１のタンク２１０のみから燃料を発電セル３に供給することにより、安定した濃度を有する低濃度メタノール水溶液を供給することができ、安定した発電を行うことができる。また、流路で燃料濃度の調製を行う必要がないため、燃料を噴霧するノズルを備えなくてもよい。さらに、第１のタンク２１０と第２のタンク２２０とを別々にすることにより、使用頻度にあわせて設計することができ、燃料を無駄なく使用することができる。また、貯蔵されている燃料の濃度を使用環境に合わせて調節することができる。そして、第１のタンク２１０と第２のタンク２２０とはそれぞれ着脱自在であり、貯蔵容器の取替えもできる。
【００３６】
本発明の燃料電池システム１の発電セル３では、発電セル３の温度が所定の温度以下の場合、高濃度メタノール水溶液を発電セル３に供給することで、発電セル３の温度上昇の反応を起こすことができる。発電セル３の温度上昇の反応は、アノード３１に第２のタンク２２０から高濃度メタノール水溶液を、カソード３２にエアポンプ４１０から空気をそれぞれ供給することにより起こすことができる。高濃度メタノール水溶液中のメタノールは、電解質膜３０を透過し、カソード３２において、メタノールの酸化反応が起きる。この酸化反応は発熱反応であるため、発電セル３の内部に熱が放出される。したがって、放出された熱により発電セル３の温度を上昇させることができる。また、発電セル３に供給する高濃度メタノール水溶液の供給量と空気の供給量を発電反応時よりも低減させることで、高濃度メタノール水溶液を発電セル３の温度上昇の反応を効率的に起こさせることができ、効率的に発電セル３の温度を上昇させることができる。高濃度メタノール水溶液は、アノード３１から電解質膜３０を介してカソード３２に供給されるため、直接カソード３２に供給する場合に比べ、高濃度燃料を分散させながら供給することができ、局所的な発熱反応を起こすことを防ぐことができる。
【００３７】
また、本発明の燃料電池システム１の発電セル３では、発電セル３の温度が所定の温度を超える場合、低濃度メタノール水溶液を発電セル３に供給することで、発電反応を起こすことが得きる。発電反応は、アノード３１に第１のタンク２１０から低濃度メタノール水溶液を、カソード３２にエアポンプ４１０から空気をそれぞれ供給することにより起こすことができる。低濃度メタノール水溶液は、アノード３１において、低濃度メタノール水溶液中の水とメタノールによってＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−という反応が起こる。この反応で発生するプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜３０を透過しカソード３２に移動する。また、発生した電子（ｅ−）は、アノード３１から外部回路を通りカソード３２に移動する。移動してきたプロトンと電子は、カソード３２において、供給される空気中の酸素と、３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏという反応を起こす。したがって、本発明の燃料電池システム１の発電セル３には、低濃度メタノール水溶液と空気を供給することにより発電反応を行うことができる。
【００３８】
図２は、本発明の燃料電池システム１の始動時におけるメタノール及び高濃度メタノール水溶液の動作について示した図であり、矢印９０がメタノール及び高濃度メタノール水溶液の流れを示している。燃料電池システム１は、始動時において、図２のように、第２のタンク２２０から燃料循環ポンプ４１２を介して、発電セル３のアノード３１に高濃度メタノール水溶液を供給する。それと同時にエアポンプ４１０を介して発電セル３のカソード３２に空気を供給する。これにより、発電セル３の温度上昇の反応が起き、発電セル３の温度を上昇させることができる。また、アノード３１に供給された高濃度メタノール水溶液は、再び第２のタンク２２０に戻される。また、この反応によって発生した水は、気液分離機４１１により分離され、水回収ポンプ４１４を介してメタノールの希釈用の水として利用される。このとき、制御装置４０２によって、切替バルブ５０３は、第１のタンク２１０への流路を遮断し、また、切替バルブ５０４は、第１のタンク２１０からの流路を遮断している。したがって、低濃度メタノール水溶液は、第１のタンク２１０に留まっている。また、制御装置４０２は、高濃度メタノール水溶液と空気の供給量を発電セル３の温度を上昇させる反応に最適な供給量となるように制御している。発電セル３の温度は温度測定装置４００により測定され、その値は、制御装置４０２で読み取られている。制御装置４０２は、温度測定装置４００の値が所定の温度を越えた場合、この発電セル３の温度上昇の反応を起こす動作から、発電反応を起こす動作に瞬時に切り替えることができる。この所定の温度とは、発電セル３での発電反応において、比較的効率良く発電することができる温度のことであり、搭載する発電セル３により異なる。
【００３９】
この発電セル３の温度上昇の反応において使用される高濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク２００に貯蔵されているメタノールと発電セル３から回収した水とを第２のタンク２２０において混合することで作成することができる。このとき、制御装置４０２によって、被希釈燃料供給ポンプ４１３が作動する。また、制御装置４０２は、切替バルブ５０１及び切替バルブ５０２は、第１のタンク２１０への流路を遮断するように制御している。高濃度メタノール水溶液の濃度は、濃度測定装置４０１により常に測定され、その値は、制御装置４０２に送信されている。制御装置４０２は、濃度測定装置４０１の値が所定の濃度の値を示さない場合、被希釈燃料供給ポンプ４１３及び水回収ポンプ４１４を制御し、所定の濃度の高濃度メタノール水溶液となるように作動させることができる。
【００４０】
上記に示した燃料電池システム１の動作は、始動時に限らず、例えば、外気温が低い時等のように、発電反応を行う通常運転中に所定の温度を下回った場合においても、始動時と同じ動作を行うように設定されていてもよい。このとき、制御装置４０２によって、発電セル３の温度上昇の反応を起こすように、アノード３１に供給するメタノール水溶液を低濃度メタノール水溶液から高濃度メタノール水溶液に瞬時に切り替えることができる。
【００４１】
図３は、本発明の燃料電池システム１の通常運転時におけるメタノール及び低濃度メタノール水溶液の動作について示した図であり、矢印９１がメタノール及び低濃度メタノール水溶液の流れを示している。燃料電池システム１は、通常運転時、つまり、発電セル３の温度が所定の温度を超えた時、図３のように、第１のタンク２１０から燃料循環ポンプ４１２を介して、発電セル３のアノード３１に低濃度メタノール水溶液を供給する。それと同時にエアポンプ４１０を介して発電セル３のカソード３２に空気を供給する。これにより、発電反応が起こる。アノード３１に供給された低濃度メタノール水溶液は、再び第１のタンク２１０に戻される。また、この反応によって発生した水は、気液分離機４１１により分離され、水回収ポンプ４１４を介してメタノールの希釈用の水として利用される。このとき、制御装置４０２によって、切替バルブ５０３は、第２のタンク２２０への流路を遮断し、また、切替バルブ５０４は、第２のタンク２２０からの流路を遮断している。したがって、高濃度メタノール水溶液は、第２のタンク２２０に留まっている。また、制御装置４０２は、低濃度メタノール水溶液と空気の供給量を発電反応に最適な供給量とするように制御している。
【００４２】
この発電反応に使用される低濃度メタノール水溶液は、被希釈燃料タンク２００に貯蔵されているメタノールと発電セル３から回収した水とを第１のタンク２１０において混合することで補うことができる。このとき、制御装置４０２によって、被希釈燃料供給ポンプ４１３が作動する。また、制御装置４０２は、切替バルブ５０１及び切替バルブ５０２は、第２のタンク２２０への流路を遮断するように制御している。このときの濃度は、上記高濃度メタノール水溶液の場合と略同様で、濃度測定装置４０１によって測定され、所定の濃度の値となるように制御装置４０２により制御されている。
【００４３】
以上のように、本発明の燃料電池システム１は、主に発電反応を行う低濃度メタノール水溶液と主に発電反応と発電セルの温度上昇を行う反応とを行う高濃度メタノール水溶液とをそれぞれ別々の貯蔵容器に貯蔵させることにより、発電セル３の温度によってアノード３１に供給するメタノール水溶液を瞬時に切り替えることができる。これにより、常に最適な濃度での運転を行うことが可能となる。また、高濃度メタノール水溶液をアノード３１から電解質膜３０を介してカソード３２に供給することで、高濃度メタノール水溶液を分散させて供給することができ、局所的な発熱を防ぐことができる。また、カソード３２に直接燃料を供給することにより発生するカソード３２への水の付着を防ぐことができる。また、本発明の燃料電池システムは、効率的な発電反応を行える濃度に調製された低濃度燃料を第１の貯蔵容器に貯蔵していることから、通常運転時において、第１の貯蔵容器のみから燃料を発電セルに供給することにより、安定した濃度を有する低濃度燃料を供給することができ、安定した発電を行うことができる。また、流路で燃料濃度の調製を行う必要がないため、燃料を噴霧するノズルを備えなくてもよい。さらに、第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とを別々にすることにより、使用頻度にあわせて設計することができ、燃料を無駄なく使用することができる。また、貯蔵されている燃料の濃度を使用環境に合わせて調節することができる。そして、第１の貯蔵容器と第２の貯蔵容器とはそれぞれ着脱自在であり、貯蔵容器の取替えもできる。
【００４４】
次に上記の燃料電池システム１における、始動時の燃料電池起動方法について説明する。燃料電池システム１は、上記のように、発電セル３の温度が燃料電池システム１の始動時等のように所定の温度以下である場合、高濃度メタノール水溶液をアノード３１に、空気をカソード３２に供給することにより、発電セル３のカソード３２において、発電セル３の温度上昇の反応を起こすことができる。このとき、発電セル３に供給される高濃度メタノール水溶液と空気の温度は、発電反応に切り替わる所定の温度より低い温度である。そのため、発電セル３に高濃度メタノール水溶液と空気とを供給することで発電セル３が放熱し、発電セル３の温度上昇の妨げとなる。この放熱量は、高濃度メタノール水溶液と空気の供給量に依存しているため、発電セル３に供給する高濃度メタノール水溶液と空気の供給量を低減させることで放熱量を低く抑えることができる。すなわち、高濃度メタノール水溶液と空気を少しずつ発電セル３に供給することで、高濃度メタノール水溶液と空気を発電セル３の温度に近付けながら供給することができる。したがって、高濃度メタノール水溶液と空気の発電セル３への供給量を低減させることで、発電セル３の温度上昇を促進させることができる。また、高濃度メタノール水溶液と空気の発電セル３への供給量を、発電反応を行う場合の低濃度メタノール水溶液と空気の発電セルへの供給量より低く抑えることにより、燃料電池システム１の始動時における発電セル３の温度上昇の時間をより短くすることができる。このときの高濃度メタノール水溶液と空気の供給量は、特に限定されるものではなく、燃料電池システム１の外部の温度や、発電セル３の大きさ等により適宜変更される。また、本発明の燃料電池起動方法により、短時間で発電セル３の温度を上昇させることができるため、発電セル３の温度が低いときに使用する補助バッテリーの容量を小さくすることが可能となり、燃料電池システム１を小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの始動時におけるメタノールと高濃度メタノール水溶液の動きを示す図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの通常運転時におけるメタノールと低濃度メタノール水溶液の動きを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池システム
２００  被希釈燃料タンク
２１０  第１のタンク
２２０  第２のタンク
３  発電セル
３０    電解質膜
３１  アノード
３２  カソード
４００  温度測定装置
４０１  濃度測定装置
４０２  制御装置
４１０  エアポンプ
４１１  気液分離機
４１２  燃料循環ポンプ
４１３  被希釈燃料供給ポンプ
４１４  水回収ポンプ
５０１、５０２、５０３、５０４  切替バルブ
９０、９１  矢印
【図１】
2006004868.tif 000003
【図２】
2006004868.tif 000004
【図３】
2006004868.tif 000005